Введение
Процессы, обусловленные ветровой деятельностью
Эолийские процессы, также называемые эолическими, относятся к ветровой деятельности в геологии и метеорологии и, в частности, к способности ветра формировать поверхность Земли (или других планет). Ветры могут разрушать, переносить и отлагать материалы, являясь эффективным фактором в регионах с редкой растительностью, недостатком влаги в почве и большим запасом рыхлых отложений. Хотя вода является гораздо более мощной разрушающей силой, чем ветер, эолийские процессы имеют важное значение в засушливых средах, таких как пустыни. Этот термин происходит от имени греческого бога Эола, повелителя ветров.
Определение и установка
Эолийские процессы – это процессы эрозии, переноса и отложения осадочных пород, вызванные ветром на поверхности или вблизи поверхности Земли. Эолийские процессы наиболее значимы в районах с малым количеством растительности или её полным отсутствием. Подветренные склоны речных долин в полузасушливых регионах часто покрыты песком и песчаными дюнами. Примеры в Северной Америке включают реки Платт, Арканзас и Миссури. Эрозия, вызванная ветром, усиливается некоторыми видами человеческой деятельности, например, использованием автомобилей повышенной проходимости.
Дефляция
Дефляция – это поднятие и удаление рыхлого материала с поверхности под воздействием турбулентности ветра. Она происходит посредством трех механизмов: тракции/поверхностного ползания, сольтации и суспенсии. Тракция, или поверхностное ползание, – это процесс скольжения или перекатывания крупных зерен по поверхности. Сольтация – это отскок частиц от поверхности на небольшие расстояния. Взвешенные частицы полностью увлекаются ветром и переносятся им на большие расстояния. На долю сольтации приходится, вероятно, 50–70 % дефляции, на долю суспенсии – 30–40 %, а на долю поверхностного ползания – 5–25 %. Области, подверженные интенсивной и продолжительной эрозии, называются зонами дефляции. Большинство эоловых зон дефляции состоят из пустынной брони – покрова из каменных обломков, остающегося после удаления ветром и водой мелких частиц. Каменная мантия пустынной брони защищает нижележащий материал от дальнейшей дефляции. Области пустынной брони формируют рег или каменистые пустыни Сахары. Они подразделяются на скалистые участки, называемые хамада, и участки с мелкой галькой и гравием, называемые серир. Пустынная броня чрезвычайно распространена в пустынных условиях. Выдувы – это углубления, образованные ветровой дефляцией. Выдувы обычно небольшие, но могут достигать нескольких километров в диаметре. Самые маленькие – это небольшие ямки глубиной около 0 метров и диаметром около 3 метров. К самым крупным относятся выдувы в Монголии, которые могут быть шириной и глубиной до 8 километров. Большая впадина в Вайоминге (США) простирается и имеет глубину до 91 метра.
Стерение
Абразия (иногда называемая коррозией) – это процесс, при котором зерна, переносимые ветром, удаляют или истирают материал с форм рельефа. Ранее абразию считали основным фактором эрозии в пустынях, но к середине XX века её значимость была переоценена в меньшую сторону. Ветер обычно поднимает песок лишь на небольшое расстояние, при этом большая часть переносимого ветром песка остаётся вблизи поверхности, и практически ничто не поднимается выше 6 футов (2 м). Многие особенности пустынь, которые ранее объяснялись абразией, такие как ветровые пещеры, грибовидные скалы и ячеистый распад пород, известный как тафони, теперь связывают с дифференциальным выветриванием, размывом дождевыми водами, дефляцией, а не с абразией, или другими процессами. Ярданги – это один из видов пустынных форм рельефа, происхождение которых широко объясняется абразией ветром. Это скальные гребни высотой до десятков метров и длиной в километры, обтекаемые пустынными ветрами. Ярданги обычно характеризуются вытянутыми бороздами или желобами, ориентированными по направлению преобладающего ветра. Они формируются преимущественно в более мягких материалах, таких как илы. Абразия приводит к полировке и образованию ямок, вырезанию борозд, придания формы и фасетированию обнажённых поверхностей. Эти явления широко распространены в засушливых условиях, но геологически не имеют большого значения. Полированные или фасетированные поверхности, называемые вентифактами, встречаются редко и для их образования требуется большое количество песка, сильные ветры и отсутствие растительности. В некоторых районах Антарктиды снежинки, переносимые ветром и являющиеся, по сути, осадками, также вызывают абразию обнажённых пород.
Нарушение
Износ – это разрушение частиц, переносимых движущейся средой, в результате столкновений. Столкновения между частицами, переносимыми ветром, являются основным источником пыли размером от 2 до 5 микрон. В основном это происходит из-за удаления выветренного глинистого покрова с поверхности зерен.
Транспорт
В засушливых условиях ветер является основным фактором переноса песка и более мелких отложений. Ветровой перенос также важен в перигляциальных областях, на речных поймах и в прибрежных зонах. Прибрежные ветры переносят значительные объемы силикатных и карбонатных отложений вглубь континента, а ветровые и пыльные бури могут переносить частицы глины и ила на огромные расстояния. Ветер переносит большую часть отложений, накапливающихся в глубоководных океанических бассейнах. Мелкие частицы могут находиться во взвешенном состоянии в атмосфере. Турбулентное движение воздуха поддерживает вес взвешенных частиц и обеспечивает их перенос на большие расстояния. Ветер особенно эффективно разделяет частицы осадочных пород размером менее 0,05 мм от более крупных, перенося их во взвешенном состоянии. Размер прибрежных дюн в основном определяется количеством открытого пространства между заросшими растительностью участками. Сахарская пыль также является причиной образования красноземных почв в южной Европе.
Пылевые бури
Пылевые бури – это ветровые бури, поднимающие достаточно пыли, чтобы снизить видимость менее чем до 100 метров. Большинство из них возникают в синоптическом (региональном) масштабе из-за сильных ветров вдоль погодных фронтов или локально из-за нисходящих потоков от гроз. Пылевые бури влияют на урожай, людей и, возможно, даже на климат. На Земле пыль может пересекать целые океаны, как, например, пыль из Сахары, достигающая бассейна Амазонки. Когда в 1971 году космический аппарат "Маринер-9" вышел на орбиту Марса, пылевая буря, продолжавшаяся месяц, покрыла всю планету, что задержало создание фотокарты поверхности планеты. Большая часть пыли, переносимой пылевыми бурями, представлена частицами размером с пыльцу. Отложения этого ветром переносимого ила известны как лёсс. Самое толстое известное отложение лёсса, достигающее толщины в несколько сотен метров, находится на Лёссовом плато в Китае. Эта же азиатская пыль переносится на тысячи километров, образуя мощные слои в местах, расположенных так далеко, как Гавайские острова. Лёсс Пиории в Северной Америке достигает толщины в несколько десятков метров в некоторых районах западной Айовы. Почвы, сформированные на лёссе, обычно отличаются высокой продуктивностью для сельского хозяйства. Небольшие вихри, называемые пылевыми смерчами, распространены в засушливых районах и, как считается, связаны с очень интенсивным локальным нагревом воздуха, вызывающим нестабильность воздушной массы. Пылевые смерчи могут достигать высоты до одного километра. Пылевые смерчи на Марсе наблюдались на высоте до нескольких километров, хотя это случается нечасто.
Депонирование
Ветер очень эффективно разделяет песок от ила и глины. В результате формируются отчетливые песчаные (эрг) и илистые (лёсс) эолические отложения, с ограниченным чередованием между ними. Отложения лёсса встречаются дальше от первоначального источника осадочного материала, чем эрги. Примером этого являются Песчаные холмы Небраски (США). Здесь на западе располагаются стабилизированные растительностью песчаные дюны, а на востоке – отложения лёсса, расположенные дальше от исходного источника осадочных пород в формации Огаллала у подножия Скалистых гор. Он выделил два основных типа дюн: серповидные, которые он назвал «бархан», и линейные, которые он назвал продольными или «сейф» (арабское слово, означающее «меч»). Багнольд разработал систему классификации, включающую в себя мелководные рябь и песчаные покровы, а также различные типы дюн. Открытие дюн на Марсе дало новый импульс исследованиям эолических процессов, которые все чаще используют компьютерное моделирование. Материалы, переносимые ветром, содержат информацию о направлениях и силе ветра в прошлом и настоящем. Эти особенности помогают нам понять современный климат и силы, которые его сформировали.
Дюны
Дюна — это накопление осадочного материала, переносимого ветром и образующего холм или вал. В отличие от песчаных теней или наносов, дюны не связаны с какими-либо топографическими преградами.
Эолические пустынные системы
Пустыни занимают от 20 до 25 процентов современной суши Земли, преимущественно между 10 и 30 градусами северной или южной широты. Здесь нисходящая ветвь тропической атмосферной циркуляции (ячейка Хэдли) создает высокое атмосферное давление и подавляет осадки. Значительные площади этих пустынь покрыты ветром переносимым песком. Области, превышающие примерно в площади, называются эргами, а меньшие – дюнными полями. Эрги и дюнные поля составляют около 20% современных пустынь, или примерно 6% общей площади суши Земли. Современные песчаные области мира несколько аномальны. В пустынях, как в настоящее время, так и в геологической летописи, обычно преобладают аллювиальные веера, а не дюнные поля. Нынешнее относительное обилие песчаных областей может быть результатом переработки третичных отложений после последнего ледникового максимума. Большинство современных пустынь пережили значительные климатические изменения в четвертичном периоде, и осадочные породы, которые сейчас перемешиваются ветровыми системами, образовались в горных районах в предыдущие плувиальные (влажные) периоды и были перенесены в осадочные бассейны потоками воды. Эти отложения, уже отсортированные при первоначальном речном переносе, были дополнительно отсортированы ветром, который также сформировал их в эоловые формы рельефа. Линии переноса можно проследить от эрга к эрга, демонстрируя очень протяженный перенос вниз по ветру. Спутниковые наблюдения показывают ярданги, выровненные по линиям переноса песка. Все линии переноса берут начало в самой пустыне и демонстрируют признаки циркуляции по часовой стрелке, подобно областям высокого давления. Наибольшая дефляция происходит в пересохших озерных ложах, где пассаты формируют струйное течение нижнего уровня между горами Тибести и плато Эннеди. В конечном итоге линии переноса достигают моря, создавая огромный шлейф саха́рской пыли, простирающийся на тысячи километров в Атлантический океан. Это вызывает постоянный дождь из ила в океан. По оценкам, ежегодно через эту систему транспортируется 260 миллионов тонн осадочного материала, но количество было значительно больше во время последнего ледникового максимума, что подтверждается данными глубоководных кернов. Минеральная пыль размером 0,1–1 микрон хорошо рассеивает коротковолновое излучение и оказывает охлаждающий эффект на климат. Другой пример эоловой системы – засушливые внутренние районы Австралии. При небольшом количестве топографических препятствий для движения песка, система ветров, движущаяся против часовой стрелки, прослеживается по системе продольных дюн. Эрги Намиба и Омана питаются прибрежными отложениями. Намиб получает свои отложения с юга через узкие дефляционные коридоры от побережья, пересекающие более чем коренных пород до эрга. Оман был сформирован дефляцией морских шельфовых карбонатов во время последнего плейстоценового понижения уровня моря. Китайское плато Лёсс на протяжении четвертичного оледенения служило долгосрочным накопителем отложений. Оно содержит летопись оледенений в виде ледниковых слоев лёсса, разделенных палеопочвами (ископаемыми почвами). Слои лёсса были отложены сильным северо-западным зимним муссоном, а палеопочвы отражают влияние влажного юго-восточного муссона. Африканская саванна в основном состоит из эргов, отложенных во время последнего ледникового максимума, которые теперь стабилизированы растительностью.
В геологических записях
Эолийские процессы можно различить в геологической летописи, начиная с протерозоя. Эолийские образования широко представлены в палеозое и мезозое западных США. Другие примеры включают пермские ротлигенды северо-западной Европы; юрско-меловое образование Ботукату в бассейне Парана (Бразилия); пермский нижний песчаник Бунтер (Великобритания); пермский триасовый песчаник Корри и песчаник Хопман (Шотландия); и протерозойские песчаники Индии и северо-западной Африки. Пожалуй, лучшими примерами эолийских процессов в геологической летописи являются юрские эрги западных США, включающие песчаник Вингейт, песчаник Навахо и песчаник Пейдж. Отдельные формации разделены региональными несоответствиями, указывающими на стабилизацию эрг. Эрги перекрывались с прилегающими речными системами, например, песчаник Вингейт перекрывается с формацией Моэнаве, а песчаник Навахо – с формацией Кайента. Песчаники Навахо и Наггет составляли часть крупнейшего эрг-отложения в геологической летописи. Эти формации достигают толщины и обнажены на поверхности. Их первоначальная площадь, вероятно, была в 2,5 раза больше современной площади распространения. Хотя ранее предполагалось морское происхождение, сейчас они практически повсеместно рассматриваются как эолийские отложения, состоящие преимущественно из мелко- и среднезернистого кварца, хорошо округленного и с матовой поверхностью – признаков эолийного переноса. В песчанике Навахо встречаются огромные табличные комплексы перекрестной слоистости с выраженными косыми слоями. Отдельные комплексы перекрестной слоистости имеют угол наклона более 20 градусов и толщину от. В формации обнаружены ископаемые пресноводные беспозвоночные и следы позвоночных животных. Присутствуют структуры оползня (искривленная слоистость), напоминающие современные влажные дюны. Последовательно мигрирующие дюны отложили вертикальную последовательность эолийных слоев между междудюнными ограничивающими поверхностями и региональными поверхностями. Пермская группа Ротлигенд Северного моря и северной Европы содержит осадочные породы из прилегающих возвышенностей. Тела эрг-песка в составе группы достигают толщины. Изучение перекрестной слоистости показывает, что осадки откладывались под воздействием атмосферной ячейки, движущейся по часовой стрелке. Данные бурения керна свидетельствуют о наличии сухих и влажных междудюнных поверхностей и региональных поверхностей, а также о пяти или более циклах расширения и сокращения эрг. Глобальное повышение уровня моря в конечном итоге затопило эрг и отложило слои Вайслигенда. Песчаник Сидар-Меса (Юта) был современником Ротлигенда и фиксирует по меньшей мере 12 последовательностей эрг, ограниченных региональными поверхностями дефляции. Эолийские формы рельефа, сохранившиеся в этой формации, варьируются от влажных песчаных покровов и палеопочв озерного происхождения до тонких, хаотично расположенных дюнных комплексов и равновесного строительства эрг, с дюнами шириной, мигрирующими по еще более крупным дрясам. Дрясы переживали отдельные климатические циклы, а их междудюнные пространства служили центрами нуклеации барханов в засушливые периоды климатических циклов.